空间机器人控制器设计方法、装置、电子设备及存储介质

技术领域

本申请涉及空间机器人控制技术领域，具体而言，涉及一种空间机器人控制器设计方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术

在对地观测、卫星监视、航天器机动、航天器编队飞行、航天器近地作业和在轨服务等空间任务中，空间机器人的姿态跟踪控制是十分重要的过程。随着越来越多的航天器发射升空，失败的航天器数量也在增加。特别地，在轨服务中，空间碎片清除是一项迫切而艰巨的任务，是维护空间安全必须解决的问题。为了有效捕获空间碎片，在最后阶段准确跟踪目标的姿态轨迹是至关重要的。与其他航天器不同的是，几乎所有的空间碎片都是非合作和自由翻滚的，它们的位置和姿态无法预先测量。因此，在控制器设计中不能使用目标轨迹的速度和角速度信息，这将给捕获空间碎片带来很大的困难。

因此，空间机器人的跟踪性能十分重要，特别地，如何在约定时间内收敛到预设的界内，以使空间机器人和空间碎片保持相对静止和姿态同步，对于有效捕获翻滚目标十分必要。

基于上述问题，目前尚未有有效的解决方法。

发明内容

本申请的目的在于提供一种空间机器人控制器设计方法、装置、电子设备及存储介质，能够令姿态跟踪误差在给定的时间内按预设的界收敛到零，以使空间机器人和空间碎片保持相对静止和姿态同步。

第一方面，本申请提供了一种空间机器人控制器设计方法，其中，包括以下步骤：

S1.根据第一预设时间段建立调节函数；

S2.获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据所述调节函数和所述姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；

S3.预设第一精度值，根据所述第一精度值和所述第一预设时间段建立递减函数；

S4.获取空间机器人的运动学姿态，根据所述转换姿态跟踪误差、所述递减函数和所述运动学姿态计算虚拟控制率；

S5.获取角速度误差，根据所述角速度误差、所述虚拟控制率和所述调节函数计算虚拟角速度误差；

S6.预设界函数，根据所述虚拟角速度误差和所述界函数设计控制器函数。

本申请的空间机器人控制器设计方法，通过根据第一预设时间段建立调节函数；获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据调节函数和姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；预设第一精度值，根据所述第一精度值和第一预设时间段建立递减函数；获取空间机器人的运动学姿态，根据转换姿态跟踪误差、递减函数和运动学姿态计算虚拟控制率；获取角速度误差，根据角速度误差、虚拟控制率和调节函数计算虚拟角速度误差；预设界函数，根据虚拟角速度误差和界函数设计控制器函数。本方案相比于传统的空间机器人姿态跟踪控制方法，具有以下优势：本方案不采用任何估计算法和自适应控制算法，简化了控制器形式同时也降低了计算复杂度，并且能够在执行器故障的情形下令姿态跟踪误差在给定的时间内按预设的界收敛到零，以使空间机器人和空间碎片保持相对静止和姿态同步。

可选地，本申请提供的空间机器人控制器设计方法，步骤S1的所述调节函数为：

；

其中，

通过该调节函数，可以对转换姿态跟踪误差进行定义。

可选地，本申请提供的空间机器人控制器设计方法，步骤S2的计算公式如下：

；

；

其中，

可选地，本申请提供的空间机器人控制器设计方法，步骤S3的所述递减函数为：

；

其中，

通过这种方式，可以获得递减函数。

可选地，本申请提供的空间机器人控制器设计方法，步骤S4的计算公式如下：

；

；

；/>

；

其中，

通过这种方式，可以计算出虚拟控制率。

可选地，本申请提供的空间机器人控制器设计方法，步骤S5的计算公式如下：

；

其中，

可选地，本申请提供的空间机器人控制器设计方法，步骤S6的所述控制器函数为：

；

；

；

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；

；

；

其中，

本申请提供的空间机器人控制器设计方法，通过根据第一预设时间段建立调节函数；获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据调节函数和姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；预设第一精度值，根据所述第一精度值和第一预设时间段建立递减函数；获取空间机器人的运动学姿态，根据转换姿态跟踪误差、递减函数和运动学姿态计算虚拟控制率；获取角速度误差，根据角速度误差、虚拟控制率和调节函数计算虚拟角速度误差；预设界函数，根据虚拟角速度误差和界函数设计控制器函数。本方案相比于传统的空间机器人姿态跟踪控制方法，具有以下优势：本方案不采用任何估计算法和自适应控制算法，简化了控制器形式同时也降低了计算复杂度，并且能够在执行器故障的情形下令姿态跟踪误差在给定的时间内按预设的界收敛到零，以使空间机器人和空间碎片保持相对静止和姿态同步。

第二方面，本申请提供了一种空间机器人控制器设计装置，其中，包括以下模块：

第一建立模块：用于根据第一预设时间段建立调节函数；

第一获取模块：用于获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据所述调节函数和所述姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；

第二建立模块：用于预设第一精度值，根据所述第一精度值和所述第一预设时间段建立递减函数；

第二获取模块：用于获取空间机器人的运动学姿态，根据所述转换姿态误差、所述递减函数和所述运动学姿态计算虚拟控制率；

第三获取模块：用于获取角速度误差，根据所述角速度误差、所述虚拟控制率和所述调节函数计算虚拟角速度误差；

设计模块：用于预设界函数，根据所述虚拟角速度误差和所述界函数设计控制器函数。

本申请提供的空间机器人控制器设计装置，通过第一建立模块根据第一预设时间段建立调节函数；第一获取模块获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据调节函数和姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；第二建立模块预设第一精度值，根据所述第一精度值和第一预设时间段建立递减函数；第二获取模块获取空间机器人的运动学姿态，根据转换姿态误差、递减函数和运动学姿态计算虚拟控制率；第三获取模块获取角速度误差，根据角速度误差、虚拟控制率和调节函数计算虚拟角速度误差；设计模块预设界函数，根据虚拟角速度误差和界函数设计控制器函数。本装置简化了控制器形式同时也降低了计算复杂度，并且能够在执行器故障的情形下令姿态跟踪误差在给定的时间内按预设的界收敛到零，以使空间机器人和空间碎片保持相对静止和姿态同步。

第三方面，本申请提供一种电子设备，包括处理器以及存储器，所述存储器存储有计算机可读取指令，当所述计算机可读取指令由所述处理器执行时，运行如上述第一方面提供的所述方法中的步骤。

第四方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时运行如上述第一方面提供的所述方法中的步骤。

综上，本申请的空间机器人控制器设计方法、装置、电子设备及存储介质，简化了控制器形式同时也降低了计算复杂度，并且能够在执行器故障的情形下令姿态跟踪误差在给定的时间内按预设的界收敛到零，以使空间机器人和空间碎片保持相对静止和姿态同步。

附图说明

图1为本申请提供的空间机器人控制器设计方法的一种流程图。

图2为本申请提供的空间机器人控制器设计装置的一种结构图。

图3为本申请提供的电子设备的结构示意图。

图4为本申请提供的一种姿态跟踪误差的一种轨迹图。

图5为本申请提供的一种姿态跟踪误差的一种轨迹图。

图6为本申请提供的一种姿态跟踪误差的一种轨迹图。

图7为图4中a区域的放大图。

图8为图5中b区域的放大图。

图9为图6中c区域的放大图。

标号说明：

201、第一建立模块；202、第一获取模块；203、第二建立模块；204、第二获取模块；205、第三获取模块；206、设计模块；301、处理器；302、存储器；303、通信总线。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施方式。基于本申请的实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参照图1，图1是本申请一些实施方式中的空间机器人控制器设计方法的流程图，其中，包括以下步骤：

S1.根据第一预设时间段建立调节函数；

S2.获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据调节函数和姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；

S3.预设第一精度值，根据第一精度值和第一预设时间段建立递减函数；

S4.获取空间机器人的运动学姿态，根据转换姿态误差、递减函数和运动学姿态计算虚拟控制率；

S5.获取角速度误差，根据角速度误差、虚拟控制率和调节函数计算虚拟角速度误差；

S6.预设界函数，根据虚拟角速度误差和界函数设计控制器函数。

本申请的空间机器人控制器设计方法，通过根据第一预设时间段建立调节函数；获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据调节函数和姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；预设第一精度值，根据第一精度值和第一预设时间段建立递减函数；获取空间机器人的运动学姿态，根据转换姿态误差、递减函数和运动学姿态计算虚拟控制率；获取角速度误差，根据角速度误差、虚拟控制率和调节函数计算虚拟角速度误差；预设界函数，根据虚拟角速度误差和界函数设计控制器函数。本方案相比于传统的空间机器人姿态跟踪控制方法，具有以下优势：本方案不采用任何估计算法和自适应控制算法，简化了控制器形式同时也降低了计算复杂度，并且能够在执行器故障的情形下令姿态跟踪误差在给定的时间内按预设的界收敛到零，以使空间机器人和空间碎片保持相对静止和姿态同步。

步骤S1中的第一预设时间段可以根据需要进行设置。

因此，在进一步的实施方式中，步骤S1的调节函数为：

；

其中，

通过该调节函数，可以对转换姿态跟踪误差进行定义。

因此，在进一步的实施方式中，步骤S2的计算公式如下：

；

；

其中，

在实际应用中，姿态跟踪误差的获取方式为现有技术，可根据本体空间机器人姿态和目标空间机器人姿态、跟踪误差动力学进行计算。

步骤S3中，第一精度值可以根据需要进行设置，步骤S3的递减函数为：

；

其中，

步骤S4中，运动学姿态的获取方式为现有技术。

在进一步的实施方式中，步骤S4的计算公式如下：

；

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；

其中，/>

步骤S5中，角速度误差的获取方式为现有技术。

在进一步的实施方式中，步骤S5的计算公式如下：

；

其中，

在进一步的实施方式中，步骤S6的控制器函数为：

；

；

；

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；

；

；

其中，

通过这种计算方式，可以获得控制器函数。

实施例1

递减函数相关参数的取值为：

；

；

；

界函数的参数取值为：

；

；

；

控制器函数参数值取为：

；

；

为了研究所提方法的全局稳定性，设定跟踪轨迹的初值：

；

；

其中，

同时考虑如下三组初值：

情形1：

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情形2：

，/>

情形3：

，/>

其中，

可以得到如图4-图9所示的结果图，图中情形1对应的曲线是输入情形1的姿态跟踪误差

由上可知，本申请的空间机器人控制器设计方法，通过根据第一预设时间段建立调节函数；获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据调节函数和姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；预设第一精度值，根据第一精度值和第一预设时间段建立递减函数；获取空间机器人的运动学姿态，根据转换姿态误差、递减函数和运动学姿态计算虚拟控制率；获取角速度误差，根据角速度误差、虚拟控制率和调节函数计算虚拟角速度误差；预设界函数，根据虚拟角速度误差和界函数设计控制器函数。本方案相比于传统的空间机器人姿态跟踪控制方法，具有以下优势：本方案不采用任何估计算法和自适应控制算法，简化了控制器形式同时也降低了计算复杂度，并且能够在执行器故障的情形下令姿态跟踪误差在给定的时间内按预设的界收敛到零，以使空间机器人和空间碎片保持相对静止和姿态同步。

请参阅图2，图2是本申请一些实施方式中的空间机器人控制器设计装置的结构图，其中，包括以下模块：

第一建立模块201：用于根据第一预设时间段建立调节函数；

第一获取模块202：用于获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据调节函数和姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；

第二建立模块203：用于预设第一精度值，根据第一精度值和第一预设时间段建立递减函数；

第二获取模块204：用于获取空间机器人的运动学姿态，根据转换姿态误差、递减函数和运动学姿态计算虚拟控制率；

第三获取模块205：用于获取角速度误差，根据角速度误差、虚拟控制率和调节函数计算虚拟角速度误差；

设计模块206：用于预设界函数，根据虚拟角速度误差和界函数设计控制器函数。

第一建立模块201中的第一预设时间段可以根据需要进行设置。

因此，在进一步的实施方式中，第一建立模块201的调节函数为：

其中，

通过该调节函数，可以对转换姿态跟踪误差进行定义。

因此，在进一步的实施方式中，第一获取模块202根据以下公式计算转换姿态跟踪误差：

；

；

其中，

在实际应用中，姿态跟踪误差的获取方式为现有技术，可根据本体空间机器人姿态和目标空间机器人姿态进行计算。

第二建立模块203中，第一精度值可以根据需要进行设置，第二建立模块203的递减函数为：

；

其中，

第二获取模块204中，运动学姿态的获取方式为现有技术。

在进一步的实施方式中，第二获取模块204根据以下公式计算虚拟控制率：

；

；

；

；

其中，

第三获取模块205中，角速度误差的获取方式为现有技术。

在进一步的实施方式中，第三获取模块205根据以下公式计算虚拟角速度误差：

；

其中，

在进一步的实施方式中，设计模块206的控制器函数为：

；

；

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；

；

；

其中，

通过这种计算方式，可以获得控制器函数。

本申请提供的空间机器人控制器设计装置，通过第一建立模块201根据第一预设时间段建立调节函数；第一获取模块202获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据调节函数和姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；第二建立模块203预设第一精度值，根据第一精度值和第一预设时间段建立递减函数；第二获取模块204获取空间机器人的运动学姿态，根据转换姿态误差、递减函数和运动学姿态计算虚拟控制率；第三获取模块205获取角速度误差，根据角速度误差、虚拟控制率和调节函数计算虚拟角速度误差；设计模块206预设界函数，根据虚拟角速度误差和界函数设计控制器函数。本装置简化了控制器形式同时也降低了计算复杂度，并且能够在执行器故障的情形下令姿态跟踪误差在给定的时间内按预设的界收敛到零，以使空间机器人和空间碎片保持相对静止和姿态同步。

请参阅图3，图3为本申请实施方式提供的一种电子设备的结构示意图，本申请提供一种电子设备，包括：处理器301和存储器302，处理器301和存储器302通过通信总线303和/或其他形式的连接机构（未标出）互连并相互通讯，存储器302存储有处理器301可执行的计算机可读取指令，当电子设备运行时，处理器301执行该计算机可读取指令，以在执行时执行上述实施方式的任一可选的实现方式中的方法，以实现以下功能：根据第一预设时间段建立调节函数；获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据调节函数和姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；预设第一精度值，根据第一精度值和第一预设时间段建立递减函数；获取空间机器人的运动学姿态，根据转换姿态误差、递减函数和运动学姿态计算虚拟控制率；获取角速度误差，根据角速度误差、虚拟控制率和调节函数计算虚拟角速度误差；预设界函数，根据虚拟角速度误差和界函数设计控制器函数。

本申请实施方式提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，执行上述实施方式的任一可选的实现方式中的方法，以实现以下功能：根据第一预设时间段建立调节函数；获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据调节函数和姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；预设第一精度值，根据第一精度值和第一预设时间段建立递减函数；获取空间机器人的运动学姿态，根据转换姿态误差、递减函数和运动学姿态计算虚拟控制率；获取角速度误差，根据角速度误差、虚拟控制率和调节函数计算虚拟角速度误差；预设界函数，根据虚拟角速度误差和界函数设计控制器函数。其中，存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器（Static Random Access Memory, 简称SRAM），电可擦除可编程只读存储器（ElectricallyErasable Programmable Read-Only Memory, 简称EEPROM），可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable Read Only Memory, 简称EPROM），可编程只读存储器（Programmable Red-Only Memory, 简称PROM），只读存储器（Read-Only Memory, 简称ROM），磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。

在本申请所提供的实施方式中，应该理解到，所揭露系统和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的系统实施方式仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，系统或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施方式方案的目的。

再者，在本申请各个实施方式中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本申请的实施方式而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。